燃料電池和電氣設備的製作方法
2023-06-13 05:06:21
專利名稱：燃料電池和電氣設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池和電氣設備。
背景技術：
迄今，為了在移動中使用小型電氣設備，使用了各種一次電池、二次電池。但是，伴隨著最近小型電氣設備的高性能化，能耗增大，用一次電池得到小型輕量、同時能夠供給充分能量的裝置變得困難了。另一方面，二次電池雖然具有能夠反覆地充電使用的優點，但是，通過一次充電能夠使用的能量比一次電池還小。而且，為了給二次電池充電不但需要別的電源，而且為了充電通常還要花幾十分鐘到幾個小時，難以做到不論何時何地都能夠馬上使用。今後，通過進行電氣設備的更加小型、輕量化，並利用無線的網絡環境，在移動中使用設備的傾向在增強，用現有的一次電池、二次電池把充分的能量供給到設備的驅動是困難的。
作為這樣問題的解決方法，小型燃料電池受到重視。迄今，燃料電池作為大型發電機、汽車用的驅動源正進行開發。其主要理由是，與現有的發電系統相比，燃料電池的發電效率高，而且其廢棄物是清潔的。另一方面，用燃料電池作為小型電氣設備的驅動源的理由，可以舉出與現有的電池相比，每單體積、每單位重量可以供給的能量提高了幾倍到接近十倍。由於只要補充、更換燃料就能夠連續地使用，故也不像二次電池那樣在充電中要花時間。
作為這樣的燃料電池開發了各種方式的燃料電池，但是，對於小型電氣設備、特別是在移動中使用的設備，例如固體高分子型燃料電池是適合的。這是因為，該電池能夠在接近於常溫的溫度下使用，而且由於電解質不是液體而是固體，故具有安全地移動的優點。
燃料電池基於通過把燃料和氧化劑供給到電池單元而進行發電的簡單原理，但是，為了進行最佳的發電，進行了各種控制。
固體高分子型燃料電池的燃料電池單元，具有由具有催化劑層的燃料極和氧化劑極夾持作為離子傳導體的高分子電解質膜的結構。高分子電解質膜在內部包含水，在傳導氫離子的同時，預防燃料氣體與氧化劑氣體互相交叉漏洩。但是，確定固體高分子型燃料電池性能的離子傳導性通過高分子電解質膜的潤溼性而起重大作用，特別是，導電性因高分子電解質膜的乾燥而顯著降低，燃料電池的特性因內部電阻的增大而大大降低。
因此，固體高分子型燃料電池為了發電，用於傳導離子的高分子電解質膜必須適當潤溼。如日本專利申請特開2001-102059和特開平08-306375中所公開的那樣，在現有方式中通過預先使燃料潤溼對高分子膜進行加溼。此外，如特開2001-102059和特開平11-045733中所公開的那樣，為了使燃料潤溼，有時也利用伴隨著發電而生成的水。
但是，在上述那樣的燃料電池的結構中，在用發電時生成的水加溼燃料氣體的方式中，在大型燃料電池的情況下，由於電池單元與燃料供給部分離，故需要用於輸送生成的水的泵。如果使用泵，則在燃料電池內需要電力的供給，存在著系統的整體結構複雜化、大型化的缺點。
此外，即使在小型燃料電池中，在把氧化劑極上生成的水供給到燃料極側的燃料流路時，要做到氧化劑與燃料不摻混也是困難的。
此外，在固體高分子型燃料電池中，通過了作為離子傳導體的高分子電解質膜的氫離子與氧化劑(氧)在氧化劑極上進行反應，在氧化劑極的表面生成水。由於氧化劑極的氧化劑流路窄，故如果不去除所生成的水流路就被水滴堵住，不能把氧化劑高效率地引導到氧化劑極。為了預防這種情況，在特開2001-102059和特開2001-160406中，通過作為氧化劑極使用導電性且防水性的多孔隙材料來預防氧化劑電極過溼。此外，在特開2001-93539中，通過對形成氣體流路的分離器表面施加親水塗層來預防流路被所生成的水堵住。
但是，在這些方式中，迅速地去除在氧化劑極上生成的水是困難的。此外，如果按規定的方向引導生成的水則需要泵或壓縮機等使用電的裝置，存在著使系統大型化的問題。因此，把使用了的水儲存在規定的地方，也是困難的。
發明內容
本發明的目的在於，逐個地或匯總地解決這些問題。
即，本發明的目的在於，提供為了加溼離子傳導體，不使用在上述方式中為了使燃料潤溼而使用了的泵等裝置，能夠簡化系統，直接加溼高分子電解質膜的新的燃料電池；或者，提供不使用泵等裝置就能夠排除在氧化劑極上生成的水的燃料電池；並提供使用了這些燃料電池的電氣設備。
實現這樣目的的第1發明是一種燃料電池，其特徵在於，具有對燃料電池高分子電解質膜直接進行加溼的加溼單元，該燃料電池高分子電解質膜的特徵在於，包括具有氧化劑極、燃料極、和設置在這兩極之間的高分子電解質的燃料電池單元部；與上述氧化劑極和上述高分子電解質膜接觸設置的、由具有吸水性的材料構成的保水部；以及在上述高分子電解質膜中，與上述保水部連接而設置的加溼水流路，儲存在上述保水部中的水，通過上述保水部和上述加溼水流路直接供給到上述高分子電解質膜。
本發明中，優選地，上述加溼水流路的形狀為平板狀，並且與上述氧化劑極平行地設置。
此外，優選地，上述加溼水流路的形狀為線狀，並且與上述氧化劑極平行地設置。
更優選地，上述加溼水流路的形狀為網狀。
此外，優選地，上述加溼水流路的形狀為葉脈狀。
進而，優選地，上述加溼水流路具有親水性。
此外，優選地，上述加溼水流路具有離子導電性。
更優選地，上述保水部中含有的水供給到上述加溼水流路。
此外，優選地，上述保水部中含有的水通過毛細管現象直接加溼上述高分子電解質膜。
更優選地，上述加溼水流路中含有的水通過毛細管現象直接加溼上述高分子電解質膜。
此外，優選地，上述保水部儲存在上述氧化劑極上生成的水。
實現上述目的的第2發明是一種燃料電池，其特徵在於包括具有氧化劑極、燃料極、和設置在這兩極之間的高分子電解質膜的燃料電池單元部；以及設置在上述氧化劑極的表面側的、使在上述氧化劑極上生成的水移動的單元。
本發明中，優選地，上述使水移動的單元在上述氧化劑極的表面、具有由疏水性區和親水性區構成的水移動用圖形，利用該水移動用圖形移動和排除在上述氧化劑極上生成的水。
此外，優選地，上述疏水性區和親水性區中的一方由錐形區構成，另一方由反錐形區構成，該錐形區與反錐形區交互排列而設置。
更優選地，在上述氧化劑極表面的一側上述疏水性區以較大的面積設置，在另一方上述親水性區以較大的面積設置，從該一側到該另一側移動和排除在氧化劑極上生成的水。
此外，優選地，上述使水移動的單元為親水性的多孔隙層，其表面積沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變大。
更優選地，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變小，並且孔隙的密度逐漸變大。
此外，優選地，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑是均勻的，並且沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向孔隙的密度逐漸變大。
更優選地，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變大，並且孔隙的密度是均勻的。
此外，優選地，上述多孔隙層的厚度沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變大。
更優選地，上述使水移動的單元為疏水性的多孔隙層，其表面積沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變小。
此外，優選地，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變大，並且孔隙的密度逐漸變小。
更優選地，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑是均勻的，並且沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向孔隙的密度逐漸變小。
此外，優選地，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變小，並且孔隙的密度是均勻的。
更優選地，上述多孔隙層的厚度沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變小。
此外，優選地，用於儲存由上述使水移動的單元使之移動了的水的保水部，與上述氧化劑極相鄰而設置。
更優選地，上述保水部設置在上述燃料電池單元部的側面。
此外，優選地，上述離子傳導體為高分子電解質膜。
更優選地，上述燃料電池為固體高分子型燃料電池。
此外，優選地，上述燃料電池為固體高分子型小型燃料電池。
此外，第3發明是一種電氣設備，該設備使用所述的燃料電池而構成。
以後還要通過參照附圖詳細地描述本發明的其它特徵和效果。
圖1為表示本發明的燃料電池的一個例子的斜視圖。
圖2A為圖1的燃料電池的平面圖。
圖2B為圖1的燃料電池的局部剖面平面圖。
圖3A為圖1的燃料電池的正視圖。
圖3B為圖1的燃料電池的局部剖面正視圖。
圖4為圖1的燃料電池的左側視圖。
圖5為示出本發明的燃料電池系統的概要圖。
圖6為示出加溼單元的一個例子的概略剖面圖。
圖7為示出設置在氧化劑極表面上的水移動用圖形的概略圖。
圖8為示出安裝有本發明的燃料電池的數位相機的概要斜視圖。
圖9為示出儲存在氧化劑極表面上生成的水的保水部的一個例子的概略剖面圖。
圖10為在氧化劑極表面上具有孔隙直徑的大小沿著方向逐漸變小的多孔隙層的單元部的平面圖。
圖11A為圖10的11A-11A處的剖面圖。
圖11B為圖10、圖11A的多孔隙層的概略剖面圖。
圖12為在氧化劑極表面上具有其厚度沿著A方向逐漸變大的多孔隙層的單元部的平面圖。
圖13為圖12的13-13處的剖面圖。
圖14為圖12、圖13的多孔隙層的概略剖面圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，說明本發明的優選的實施方式。
(第1實施方式)本發明的第1實施方式燃料電池的特徵是，具有不加溼燃料、直接加溼高分子電解質膜的加溼單元。
圖6為具有加溼單元的單元部的概略剖面圖。如圖6所示，本發明的特徵在於，作為加溼單元2，在與作為離子傳導體的高分子電解質膜接觸的位置上設置由具有吸水性的材料構成的保水部21，使用儲存在該保水部中的水利用毛細管現象直接加溼作為離子傳導體的高分子電解質膜12；更優選地，為了更快且均勻地加溼高分子電解質膜，在高分子電解質膜中具有與保水部連接、由具有親水性的材料構成的加溼水流路28。再有，11為構成燃料電池單元的氧化劑極，13為燃料極，23為在氧化劑極上生成的水。在第1實施方式中，加溼水流路的形狀為線狀，實質上與氧化劑極平行地設置在高分子電解質膜中。再有，加溼水流路的形狀也可以是平板狀、網狀或葉脈狀。
本實施方式的特徵還在於，由於在燃料電池的發電中利用在氧化劑極上生成的水直接加溼高分子電解質膜，故在與燃料電池的氧化劑極和高分子電解質膜接觸的位置上設置由具有吸水性的材料構成的保水部。
通過與高分子電解質膜相鄰配置本發明中的用於儲存為了加溼高分子電解質膜所需要的水的保水部，並利用毛細管力，能夠不使用泵等而輸送水，對高分子電解質進行最佳量的加溼。
此外，通過不只與燃料電池的高分子電解質膜相鄰來配置保水部，同時，還與氧化劑極相鄰來配置保水部，能夠在加溼中使用伴隨著發電在氧化劑極上生成的水。通過在加溼中直接加溼高分子電解質膜，還能夠提供氧化劑極側的氧化劑與燃料極側的燃料不混合的燃料電池系統的加溼單元。
(第2實施方式)本發明的第2實施方式燃料電池的特徵在於，在氧化劑極的表面具有由疏水性區和親水性區構成的水移動用圖形，利用該水移動用圖形移動和排除在氧化劑極上生成的水。
圖6為示出具有加溼單元的單元部的概略剖面圖，圖7為示出設置在氧化劑極表面上的水移動用圖形的概略圖，圖9為示出儲存在氧化劑極表面上生成的水的保水部的一個例子的概略剖面圖。即，如圖6、7和9所示，在本發明中，在氧化劑極11的表面上形成由疏水性區24和親水性區25構成的水移動用圖形22(水移動單元)，以使水沿一個方向移動，由此，不使用泵或壓縮機等就能夠沿規定的方向迅速地排出在氧化劑極表面上生成的水23。再有，26為沿著A方向寬度變小的錐形區，27為沿著A方向寬度變大的反錐形區，102為水處理部。
通過與燃料電池單元相鄰配置用於儲存排出的水的保水部，能夠預防生成的水潤溼燃料電池或安裝著燃料電池的電氣設備。
(第3實施方式)下面說明本發明的燃料電池的第3實施方式。第3實施方式的特徵在於，在單元部的氧化劑極的表面上取代第2實施方式的水移動用圖形，作為水移動單元是多孔隙層，設置沿著排水方向多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變小，並且多孔隙材料每單位體積的孔隙個數(即，密度)逐漸變大的多孔隙層。利用這樣的多孔隙層，能夠排除在氧化劑極上生成的水。
圖10為在氧化劑極11的表面上具有多孔隙材料的孔隙直徑的大小沿著A方向逐漸變小的多孔隙層71的單元部的平面圖。圖11A為圖10的11A-11A處的剖面圖。圖11B為圖10、圖11A的多孔隙層的概略剖面圖。再有，73為多孔隙層中包含的孔隙，12為作為離子傳導體的高分子電解質膜，13為燃料極，21為保水部，23為在氧化劑極側生成的水，28為加溼水流路。
在本實施方式中，如圖11B所示，通過沿著A方向逐漸減小多孔隙材料71的孔隙73的孔隙直徑，同時，通過增大孔隙73的密度使沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積逐漸增大。由於多孔隙材料一段為親水性的，故對多孔隙層的水的吸引性沿著A方向變大，其結果，多孔隙層71能夠沿著A方向把水23引導到保水部21。
再有，在使用的多孔隙材料為比較疏水性的情況下，如果通過沿著A方向逐漸增大多孔隙材料的孔隙直徑，同時，通過減小孔隙的密度使沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積逐漸減小，則多孔隙層能夠把水23引導到A方向上。這是因為，多孔隙層對水的吸引性沿著A方向逐漸變大。
(第4實施方式)下面說明本發明的燃料電池的第4實施方式。第4實施方式的特徵在於，在單元部氧化劑極的表面上取代第3實施方式的多孔隙層，作為水移動單元設置沿著排水方向多孔隙層的厚度逐漸變大的多孔隙層。利用這樣的多孔隙層，能夠排除在氧化劑極上生成的水。
圖12為在氧化劑極11的表面上具有其厚度沿著A方向逐漸變大的多孔隙層72的單元部的平面圖。圖13為圖12的13-13處的剖面圖。圖14為圖12、圖13的多孔隙層的概略剖面圖。
在本實施方式中，多孔隙層72的厚度沿著A方向逐漸變大，多孔隙層表面具有朝向A方向上升的傾斜。在本實施方式中，如圖14所示，多孔隙層72的孔隙73的孔隙直徑大致是均勻的、並且孔隙73的密度也是均勻的。因此，氧化劑極表面上多孔隙層72的氧化劑極表面每單位面積的表面積沿著A方向逐漸增大。由於多孔隙材料一般為親水性的，故對多孔隙層的水的吸引性沿著A方向變大，其結果，多孔隙層72能夠沿著A方向把水23引導到保水部21。
再有，在使用的多孔隙材料為比較疏水性的情況下，如果使沿著A方向多孔隙層的厚度逐漸變小，則多孔隙層能夠把水23引導到A方向上。這是因為，由於多孔隙層每單位面積的表面積沿著A方向逐漸變小，故多孔隙層對水的吸引性沿著A方向變大。
再有，基於與實施方式3和4一樣的想法，可以考慮其它各種變形例，這些變形例也還包含在本發明的範圍內。例如，在作為多孔隙材料使用了孔隙直徑均勻的材料的情況下，作為多孔隙層可以使用使孔隙的疏密(密度)沿著A方向不同的層。此時，如果多孔隙材料為親水性的，如果使孔隙每單位體積的個數(密度)沿著A方向變多，則由於沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積增大，故能夠把水引導到A方向上。相反地，如果多孔隙材料為疏水性的，如果使孔隙每單位體積的個數沿著A方向變小，則由於沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積減小，故能夠把水引導到A方向上。
此外，作為其它變形例，例如，作為多孔隙層可以使用沿著A方向多孔隙材料的孔隙直徑不同，同時，孔隙直徑的密度為恆定的多孔隙材料。此時，如果多孔隙材料為親水性的，如果使孔隙直徑沿著A方向變大，則由於沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積增大，故能夠把水引導到A方向上。相反地，如果多孔隙材料為疏水性的、如果使孔隙直徑沿著A方向變小，則由於沿著A方向多孔隙材料每單位體積的表面積減小，故能夠把水引導到A方向上。
下面，通過小型燃料電池的具體例更詳細地說明本發明，但是，本發明不限定於小型燃料電池，即使涉及大型燃料電池，也可以應用。
(實施例1)下面，參照附圖，具體地說明第1發明。圖1為表示本發明實施例1的燃料電池的一個例子的斜視圖。圖2A為圖1的燃料電池的平面圖。圖2B為圖1的燃料電池的局部剖面平面圖。圖3A為圖1的燃料電池的正視圖。圖3B為圖1的燃料電池的局部剖面正視圖。圖4為圖1的燃料電池的左側視圖。圖5為示出本發明的燃料電池系統的概要圖。圖1、圖2A、圖3A、圖4可以說是以透過透明筐體20大致看一下的方式展示出燃料電池的內部。
展示圖1所示的本發明的燃料電池的外尺寸的一個例子時，為縱(a)30mm×橫(b)50mm×高(c)10mm，與用於通常的小型數位相機中的鋰離子電池的大小大致相同。
圖8為示出安裝著本發明的燃料電池的數位相機的一個例子的概要圖。如圖8所示，由於作為前述小型攜帶式電氣設備之一的數位相機91是小型且一體化的，故成為小型燃料電池92容易裝入的形狀。此外，與具有厚度的長方體或圓筒形的形狀相比，圖示那樣的燃料電池的薄型長方體形狀容易裝入小型電氣設備中。
再有，本發明的燃料電池在其尺寸方面無任何限制，能夠提供除了數位相機之外，可安裝和使用於數位電視攝像機、小型投影儀、小型印表機、筆記本型個人計算機等可移動的小型電氣設備中，發電量從幾毫瓦到幾百瓦的燃料電池。
圖1中，本發明的燃料電池，在薄型的且實質上是長方體形狀的筐體20內，包括由4個燃料電池單元14構成的單元部1；儲藏供給到該單元部1的燃料的燃料箱部3；用於把該燃料箱部3的燃料供給到單元部1的燃料供給部4；用於把氧化劑氣體供給到該單元部1的通氣孔7；以及匯總由單元部1發生的電力、將其暫時儲存起來，總是把穩定的電力供給到外部的布線部5，與上述燃料電池單元14的氧化劑極相鄰地設置取入在氧化劑極上生成的水並將其儲存起來的保水部21。
本發明的燃料電池，由於把從外部空氣取入反應中使用的氧作為氧化劑氣體，故在筐體20的上表面82、下表面81和長側面84a、84b上具有用於取入外部空氣的通氣孔7。此外，該通氣孔7還起到使生成的水作為水蒸汽漏掉的作用。但是，在對水分侵入抵抗力差的電氣設備中內裝並使用燃料電池的情況下，利用把切斷水蒸氣、只透過空氣的膜貼在通氣孔7上等方法切斷水分向外部的排出。
在筐體20的一個短側面83b上設置布線部5，在該布線部5上設有用於取出電的電極53。在筐體20的另一個短側面83a上還設有燃料流入口32。
另一方面，筐體20的內部包括由1個以上燃料電池單元14(參照圖5)構成的單元部1，該燃料電池單元14由燃料電極13、作為離子傳導體的高分子電解質膜12、氧化劑極11、和催化劑構成；儲存在氧化劑極上生成的多餘的水，將其供給到高分子電解質膜12的、作為加溼單元2的保水部21；儲藏燃料的燃料箱部3；對來自燃料箱的燃料進行減壓，將其引導到各單元的燃料極的燃料供給部4；以及匯總由各燃料電池單元14發生的電的布線部5。
圖5為示出圖1所示的本發明的燃料電池系統的概要圖。該圖中，燃料箱部3中收容的燃料從燃料箱部3通過燃料供給部4，供給到單元部1的燃料電池單元14的燃料極13。作為氧化劑氣體使用空氣(外部空氣)，使外部空氣通過通氣孔7供給到燃料電池單元14的氧化劑極11。單元部1由1個以上的燃料電池單元14構成，燃料電池單元14由燃料極13、高分子電解質膜12、氧化劑極11、和催化劑構成。由於來自燃料箱部3的燃料和來自外部空氣的氧化劑氣體的供給而在各燃料電池單元14上發生的電力暫時儲存在布線部5中，總是把穩定的發電電力從電極53供給到外部。在該燃料電池單元的發電中，在燃料極13上生成的氫離子通過高分子電解質膜12在氧化劑極上與氧化劑(氧)進行反應，使得在氧化劑極11的表面生成水。該生成水的一部分從通氣孔7蒸發到外部，但是，剩餘的多餘的生成水從氧化劑極的表面移動而被儲存在加溼單元2的保水部21中。儲存在加溼單元2中的水還供給到高分子電解質膜12，進行加溼。
接著，說明本發明中的加溼單元。
圖6為示出加溼單元的一個例子的概略圖，圖7為示出設置在氧化劑極表面上的水移動用圖形的概略圖。
如圖6所示，在本發明的燃料電池單元中，在燃料極13上生成的氫離子通過高分子電解質膜12，在氧化劑極11上與氧化劑(氧)進行反應，在氧化劑極11的表面上生成水23。如果不迅速地去除該水23並進行處理，則不但不能把氧化劑(氧)氣體供給到氧化劑極11，而且存在著潤溼內裝著燃料電池的小型電氣設備的擔心。
另一方面，本發明中的高分子電解質膜12在反應時必須適當潤溼。本發明通過利用加溼單元2有效地利用反應生成的水來加溼高分子電解質膜，解決了該問題。特別是，利用以與氧化劑極11和高分子電解質膜12的側面接觸的方式，配置吸收在氧化劑極11的表面上生成的水23以用於進行加溼的保水部21的結構，來進行加溼。
該機構中，首先，在保水部21中儲存通過反應生成的水23。該保水部21由於與高分子電解質膜12接觸，水通過毛細管現象在箭頭B方向上移動，故能夠直接、適當地潤溼高分子電解質膜。在小型燃料電池中，由於從保水部到高分子電解質膜中央部分的距離非常短(一般在10cm以下)，故從保水部利用毛細管理現象供給的水分只通過自然擴散就能夠充分均勻地加溼高分子電解質膜。
此外，即使在單元面積大、只通過自然擴散難於實現均勻且迅速的加溼的情況下，由於通過在高分子電解質膜12中設置一個以上與保水部連接的、由親水性材料構成的加溼水流路28使水在箭頭C方向上移動，故即使不使用泵等裝置，利用在箭頭B和C方向上移動的水也能夠對高分子電解質膜12進行充分的加溼。按照本方式，由於不但氧化劑極的氧化劑與燃料極的燃料不摻混就能夠加溼高分子電解質膜，而且也不需要水輸送用的泵等裝置，故能夠使燃料電池小型、輕量化。
在本發明中，還在氧化劑極11的表面上，如圖7所示，作為水移動單元設置由疏水性區24和親水性區25構成的水移動用圖形22，利用該水移動用圖形22能夠移動在氧化劑極上生成的水23並將其收容在保水部21中。疏水性區24由沿著A方向寬度變窄的錐形區26構成，親水性區25由沿著A方向寬度變寬的反錐形區27構成，該錐形區26與反錐形區27交互排列而設置。由於水滴要向能量狀態低的方向移動，故在圖7中從疏水性區24寬的右側向親水性區25寬的左側在A方向上移動。即，通過該親水性區與疏水性區的構圖能夠使生成的水在規定的方向上移動。
再有，上述錐形區26和反錐形區27的錐形(寬度減小、增大的方法)不限定於圖示那樣的直線。只要能夠發揮上述移動效果，就包含曲線、階梯(臺階)等的一切形狀。
作為疏水性和親水性的各圖形材料，例如，作為疏水性材料可舉出在側鏈中包含氟的化合物，作為親水性材料可舉出在側鏈中具有羥基、羧基、或醚基的化合物。作為圖形的作成方法，例如，可舉出在氧化劑極上把掩模作成錐形，用噴塗器塗布親水性或疏水性材料的方法。
如上所述，通過把由吸水性物質構成的保水部21配置在水的移動目的地上，可以取入被排除的水將其儲存起來。
作為本發明中使用的保水部的材料，可舉出吸水性的物質。作為吸水性物質可舉出有機物質和無機物質。作為有機物質有包括丙烯基、醯胺基、醚基、羧基等親水基的高分子，例如可舉出聚丙烯醯胺凝膠等。此外，作為無機物質可舉出矽膠或沸石等。此外，作為把保水部配置在燃料電池單元側面的方法，可舉出例如，把保水材料支撐用的容器設置在燃料電池側面，把保水材料放進容器中的方法。
作為本發明中使用的加溼水流路的材料，使用具有親水性的材料。例如，作為有機物質可舉出在側鏈中具有磺酸基的苯乙烯類化合物，作為無機物質可舉出在矽溶膠凝膠中加入了磷酸基的化合物。在側鏈中具有磺酸基的苯乙烯類化合物或在矽溶膠凝膠中加入了磷酸基的化合物，由於具有離子導電性，故在能夠使有助於發電的離子傳導這一點上，是優選的。此外，作為把加溼水流配置在高分子電解質膜中的方法，例如可以通過用高分子電解質膜夾持加溼水流路材料來進行。
此外，作為作為離子傳導體的高分子電解質膜，使用在其內部水通過毛細管現象進行浸透的材料，例如作為全氟磺酸類高分子可舉出杜邦公司的ナフィョン。
本實施例的燃料電池單元的電動勢為0.8V，電流密度為300mA/cm2，單位單元的大小為1.2cm×2cm。通過把8個該燃料電池單元串聯連接，整個電池的輸出在6.4V、720mA下為4.6W。
(實施例2)下面，參照附圖，具體地說明第2發明。實施例2是包括在氧化劑極表面上具有水移動用圖形(水移動單元)的單元部的燃料電池，是沒有加溼水流路的方式。實施例2在沒有加溼水流路這一點上與實施例1不同，在除此以外的點上與實施例1一樣。圖1為表示本發明的實施例2燃料電池的一個例子的斜視圖。圖2為圖1的燃料電池的平面圖。圖3為圖1的燃料電池的正視圖。圖4為圖1的燃料電池的左側視圖。圖5為示出本發明的燃料電池系統的概要圖。
展示圖1所示的本實施例的燃料電池的外尺寸的一個例子時，為縱(a)30mm×橫(b)50mm×高(c)10mm，與用於通常的小型數位相機中的鋰離子電池的大小大致相同。
圖8為示出安裝著本發明的燃料電池的數位相機的一個例子的概要圖。如圖8所示，由於作為本發明的用途的小型攜帶式電氣設備之一的數位相機91是小型的且一體化的，故是小型燃料電池92容易裝入的形狀。此外，與具有厚度的長方體或園筒形的形狀相比，圖示那樣的燃料電池的薄型長方體形狀容易裝入小型電氣設備中。
再有，本發明的燃料電池在其尺寸方面不受任何限制，除了數位相機之外，可安裝於數位電視攝像機、小型投影儀、小型印表機、筆記本型個人計算機等可移動的小型電氣設備中，能夠應用於發電量從幾毫瓦到幾百瓦的燃料電池中，也能夠應用於這些小型電氣設備上。
圖1中，本發明的燃料電池，在薄型且實質上是長方體形狀的筐體20內，包括由4個燃料電池單元14構成的單元部1；儲藏供給到該單元部1的燃料的燃料箱部3；用於把該燃料箱部3的燃料供給到單元部1的燃料供給部4；用於把氧化劑氣體供給到該單元部1的通氣孔7；以及匯總由單元部1發生的電力，將其暫時儲存起來，總是把穩定的電力供給到外部的布線部5，與上述燃料電池單元14的氧化劑極相鄰來設置排除在氧化劑極上生成的水並將其儲存起來的保水部21而構成。
本發明的燃料電池由於把從外部空氣取入反應中使用的氧作為氧化劑氣體，故在筐體20的上表面82、下表面81和長側面84a、84b上具有用於取入外部空氣的通氣孔7。此外，該通氣孔7還起到使生成的水作為水蒸汽漏掉的作用。但是，在對水分的侵入抵抗力弱的電氣設備中內裝並使用燃料電池的情況下，利用把切斷水蒸氣、只透過空氣的膜貼在通氣孔7上等方法切斷水分向外部的排出。
在筐體20的一個短側面83b上設置布線部5，在該布線部5上設有用於取出電的電極53。
筐體20的內部包括由1個以上的由燃料電極13、作為離子傳導體的高分子電解質膜12、氧化劑極11、和催化劑構成的燃料電池單元14(參照圖5)構成的單元部1；取入兼入並儲存在氧化劑極上生成的水的保水部21；儲藏燃料的燃料箱部3；對來自燃料箱的燃料進行減壓，將其引導到各單元的燃料極的燃料供給部4；以及匯總由各燃料電池單元14發生的電的布線部5。
圖5為示出圖1所示的本發明的燃料電池系統的概要圖。該圖中，燃料箱部3中收容的燃料從燃料箱部3通過燃料供給部4，供給到單元部1的燃料電池單元14的燃料極13。作為氧化劑氣體使用空氣(外部空氣)，使外部空氣通過通氣孔7供給到燃料電池單元14的氧化劑極11。單元部1由1個以上的燃料電池單元14構成，燃料電池單元14由燃料極13、高分子電解質膜12、氧化劑極11、和催化劑構成。由於來自燃料箱部3的燃料和來自外部空氣的氧化劑氣體的供給而在各燃料電池單元14上發生的電力暫時儲存在布線部5中，總是把穩定的發電電力從電極53供給到外部。在該燃料電池單元的發電中，在燃料極13上生成的氫離子通過高分子電解質膜12在氧化劑極上與氧化劑(氧)進行反應，使得在氧化劑極11的表面上生成水。該生成水的一部分從通氣孔7蒸發到外部，但是，剩餘的多餘的生成水利用設置在氧化劑極的表面上，由疏水性區和親水性區構成的水移動用圖形移動而被儲存在水處理部102的保水部21中。儲存在水處理部102中的水還能夠供給到高分子電解質膜12，進行加溼。
接著，說明實施例2中的取入並儲存在氧化劑極表面生成的水的保水部。
圖9為示出儲存在氧化劑極表面上生成的水的保水部的一個例子的概略圖，圖7為示出設置在氧化劑極表面上的水移動用圖形的概略圖。
如圖9所示，在實施例2的燃料電池單元中，在燃料極13上生成的氫離子通過高分子電解質膜12，在氧化劑極11上與氧化劑(氧)進行反應，在氧化劑極11的表面上生成水23。如果不迅速地去除該水23並進行處理，則不但不能把氧化劑(氧)氣體供給到氧化劑極11，而且存在著潤溼內裝著燃料電池的小型電氣設備的擔心。
因此，在實施例2中，在氧化劑極11的表面上，如圖7所示，作為水移動單元設置由疏水性區24和親水性區25構成的水移動用圖形22，利用該水移動用圖形22移動並排除在氧化劑極上生成的水23。如上所述，疏水性區24由錐形區26構成，親水性區25由反錐形區27構成，該錐形區26與反錐形區27交互排列而設置。由於水滴要向能量狀態低的方向移動，故在圖7中從疏水性區24寬的右側向親水性區25寬的左側在A方向上移動。即，通過該親水性區與疏水性區的構圖能夠使生成的水在規定的方向上移動。再有，在本實施例中，也如前所述，錐形的形狀不限定於圖示的形狀，這一點本領域技術人員是很清楚的。
作為疏水性和親水性的各圖形材料，例如，作為疏水性材料可舉出在側鏈中包含氟的化合物，作為親水性材料可舉出在側鏈中具有羥基、羧基、或醚基的化合物。作為圖形的作成方法，例如可舉出在氧化劑極上把掩模作成錐形，用噴塗器塗布親水性或疏水性材料的方法。
如上所述，通過把由吸水性物質構成的保水部21配置在水的移動目的地上，可以儲存排除的水。特別是，把保水部21與氧化劑極11接觸配置在燃料電池單元的側面上，由此，不妨礙把氧化劑(外部空氣)供給到氧化劑極的流路。利用這些結構，能夠迅速地從氧化劑極表面去除反應後的水，並能把排除的水引導到保水部，還能把多餘的水儲存在保水部中。
作為本發明中使用的保水部的材料，可舉出吸水性的物質。作為吸水性物質可舉出有機物質和無機物質。作為有機物質可舉出具有丙烯基、醯胺基、醚基、羧基等親水基的高分子，例如可舉出聚丙烯醯胺凝膠等。此外，作為無機物質可舉出矽膠或沸石等。此外，作為把保水部配置在燃料電池單元側面的方法，可舉出例如把保水材料支撐用的容器設置在燃料電池側面，把保水材料放進容器中的方法。
本實施例燃料電池單元的電動勢為0.8V，電流密度為300mA/cm2，單位單元的大小為1.2cm×2cm。通過把8個該燃料電池單元串聯連接，整個電池的輸出在6.4V、720mA下為4.6W。
本發明的燃料電池安裝在電氣設備上使用，電氣設備可以是小型的，也可以是大型的。此外，本發明的燃料電池，優選地是固體高分子型燃料電池，特別優選地是固體高分子型小型燃料電池，能夠安裝在數位相機、數位電視攝像機、或印表機等可移動的小型電氣設備上，優選地使用。
再有，使用把氫供給到燃料極的形式的燃料電池說明了本發明，但是，本發明並不限定於使用這樣的氣體燃料的形式，當然也能夠應用於把甲醇或化學氫化物等液體燃料供給到燃料極的形式的燃料電池。
產業上利用的可能性如上面說明了的那樣，按照第1發明，通過為了加溼離子傳導體不使用在現有方式中為了使燃料潤溼使用了的泵等裝置，把系統簡化，可提供能夠直接加溼離子傳導體的新的燃料電池。
此外，本發明可提供通過直接加溼離子傳導體，能適合安裝在可在移動中使用的小型電氣設備上的固體高分子型燃料電池。
還可提供使用了上述燃料電池的小型電氣設備或大型電氣設備。
此外，按照第2發明，能夠容易地排除在燃料電池氧化劑極上產生的水，還能夠把排除了的水引導到保水部、將其儲存起來。
此外，在本發明的燃料電池中，由於為了排除水不使用泵或壓縮機等裝置，故在電池內也不使用額外的電力，還能夠把系統簡化，可提供能適合安裝在可在移動中使用的小型電氣設備上的燃料電池。
此外，在安裝到小型電氣設備上時，能夠有效地預防由燃料電池生成的水潤溼小型電氣設備內部。
還能夠提供使用了上述燃料電池的小型電氣設備或大型電氣設備。
權利要求
1.一種燃料電池，其特徵在於包括具有氧化劑極、燃料極、和設置在這兩極之間的離子傳導體的燃料電池單元部；與上述氧化劑極和上述離子傳導體接觸設置的、由具有吸水性的材料構成的保水部；以及在上述離子傳導體中，與上述保水部連接而設置的加溼水流路，儲存在上述保水部中的水，通過上述保水部和上述加溼水流路直接供給到上述離子傳導體。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路的形狀為平板狀，並且與上述氧化劑極平行地設置。
3.根據權利要求1所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路的形狀為線狀，並且與上述氧化劑極平行地設置。
4.根據權利要求1所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路的形狀為網狀。
5.根據權利要求1所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路的形狀為葉脈狀。
6.根據權利要求1～5中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路具有親水性。
7.根據權利要求1～6中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路具有離子導電性。
8.根據權利要求1～7中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述保水部中含有的水供給到上述加溼水流路。
9.根據權利要求1～8中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述保水部中含有的水通過毛細管現象直接加溼上述離子傳導體。
10.根據權利要求1～9中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述加溼水流路中含有的水通過毛細管現象直接加溼上述離子傳導體。
11.根據權利要求1～10中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述保水部儲存在上述氧化劑極上生成的水。
12.一種燃料電池，其特徵在於包括具有氧化劑極、燃料極、和設置在這兩極之間的離子傳導體的燃料電池單元部；以及設置在上述氧化劑極的表面側的、使在上述氧化劑極上生成的水移動的單元。
13.根據權利要求12所述的燃料電池，其特徵在於，上述使水移動的單元在上述氧化劑極的表面側具有由疏水性區和親水性區構成的水移動用圖形，利用該水移動用圖形移動和排除在上述氧化劑極上生成的水。
14.根據權利要求13所述的燃料電池，其特徵在於，上述疏水性區和親水性區中的一方由錐形區構成，另一方由反錐形區構成，該錐形區與反錐形區交互排列而設置。
15.根據權利要求13或14所述的燃料電池，其特徵在於，在上述氧化劑極表面的一側以較大的面積設置上述疏水性區，在另一側以較大的面積設置上述親水性區，從該一側到該另一側移動和排除在氧化劑極上生成的水。
16.根據權利要求12所述的燃料電池，其特徵在於，上述使水移動的單元為親水性的多孔隙層，其表面積沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變大。
17.根據權利要求16所述的燃料電池，其特徵在於，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變小，且孔隙的密度逐漸變大。
18.根據權利要求16所述的燃料電池，其特徵在於，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑是均勻的，且沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向孔隙的密度逐漸變大。
19.根據權利要求16所述的燃料電池，其特徵在於，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變大，且孔隙的密度是均勻的。
20.根據權利要求16所述的燃料電池，其特徵在於，上述多孔隙層的厚度沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變大。
21.根據權利要求12所述的燃料電池，其特徵在於，上述使水移動的單元為疏水性的多孔隙層，其表面積沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變小。
22.根據權利要求21所述的燃料電池，其特徵在於，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變大，且孔隙的密度逐漸變小。
23.根據權利要求21所述的燃料電池，其特徵在於，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑是均勻的，並且沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向孔隙的密度逐漸變小。
24.根據權利要求21所述的燃料電池，其特徵在於，沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向，上述多孔隙層的多孔隙材料的孔隙直徑逐漸變小，且孔隙的密度是均勻的。
25.根據權利要求21所述的燃料電池，其特徵在於，上述多孔隙層的厚度沿著使在上述氧化劑極上生成的水移動的方向逐漸變小。
26.根據權利要求8～25中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，用於儲存被上述使水移動的單元移動了的水的保水部與上述氧化劑極相鄰地設置。
27.根據權利要求26所述的燃料電池，其特徵在於，上述保水部設置在上述燃料電池單元部的側面。
28.根據權利要求1～27中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述離子傳導體為高分子電解質膜。
29.根據權利要求1～28中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述燃料電池為固體高分子型燃料電池。
30.根據權利要求128中的任一項所述的燃料電池，其特徵在於，上述燃料電池為固體高分子型小型燃料電池。
31.一種電氣設備，其特徵在於，使用根據權利要求1～30中的任一項所述的燃料電池。
全文摘要
提供一種燃料電池和電氣設備，該燃料電池具有直接加溼作為離子傳導體的高分子電解質膜(12)的加溼單元(2)。作為加溼單元(2)，使用在與高分子電解質膜接觸的位置上具有由具有吸水性的材料構成的保水部(21)，利用毛細管現象直接加溼高分子電解質膜(12)的直接加溼單元；為了更快且均勻地加溼高分子電解質膜(12)，還使用在高分子電解質膜中具有與保水部(21)連接、由具有親水性的材料構成的加溼水流路(28)的單元。利用這樣的結構能夠提供直接加溼離子傳導體的燃料電池。
文檔編號H01M8/04GK1620734SQ0282758
公開日2005年5月25日 申請日期2002年6月27日 優先權日2001年12月28日
發明者中漥亨, 江口健, 渡部充祐 申請人:佳能株式會社